CA1139836A

CA1139836A - Lead-acid battery

Info

Publication number: CA1139836A
Application number: CA000355390A
Authority: CA
Inventors: Claude Pascon; Georges Marcellin
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1979-07-04
Filing date: 1980-07-03
Publication date: 1983-01-18
Also published as: EP0022402B1; IE801384L; WO1981000176A1; ATE9630T1; ES8200514A1; FR2460546A1; FR2460546B1; EP0022402A1; US4360576A; JPS56500788A; IE50140B1; ES493066A0; DE3069283D1

Abstract

PCT No. PCT/FR80/00104 Sec. 371 Date Mar. 4, 1981 Sec. 102(e) Date Jan. 15, 1981 PCT Filed Jun. 30, 1980 PCT Pub. No. WO81/00176 PCT Pub. Date Jan. 22, 1981.Lead accumulator which comprises a plurality of elements each consisting of a negative plate, a positive plate and separating means intercalated between these plates, the said separating means comprising a first and a second microporous separator, between which spacers define channels, characterized in that the thickness of the channels (11) is between 0.5 mm and 2 mm and in that the width of the channels (11) is between 2 mm and 10 mm. Particularly valuable application in traction batteries.

Description

~3~8~6 La presente inv~entionconcerne un accumulateur electrique au plomb, utilisable notamment dans les batteries de traction. i Un tel accumulateur comporte très schematiquement une pluralite d'elements constitues chacun par une plaque negative, une plaque positive et des moyens de separation intercales entre celles-ci.
Un problème technique fondamental est de reallser un accumulateur de grande energie massique qui soit très endurant.
Il ~aut donc notamment parvenir à amfiliorer le rendement des ma-tières actives, tout en evitant leur gonflement et le " shedding"
de la matière positive~ il faut egalement reduire la corrosion des grilles maintenant ces matières actives.
Les moyens de separation de l'accumulateur ~ouent un rôle très important`dans l'amelioration de tous les facteurs precites.
On a dejà propose de nombreux types de moyens de separation com-portant des separateurs microporeux.
La presente invention a pour but de réaliser un accumula-teur au plomb comprenant des séparateurs microporeux agences de manière telle qu'ils apportent une nette amelloration du point de vue de la tenue en endurance.
La presente inuention a pour objet un accumulateur electri-que au plomb comportant une pluralité d~elements constitues cha-cun par une plaque negative, une plaque positive, ayant chacune une hauteur comprise entre 100 mm et 600 mm, et des moyens de separation intercales entre elles, comportant un premier et un second separateurs microporeux, dont l'epaisseur èst de l'ordre de 1,5 mm et entre lesquels des inte~calaires definissent des canaux, caracterise par le fait que l'epaisseur des canaux est comprise entre 0,5 mm et 2 mm, et que la largeur des canaux est comprise ent~e 2 mm et 10 mm.
Lorsque les plaques positives et negatives de l'accumu-lateur presentent une hauteur comprise entre 100 mm, ,',/ - 1 -h ,~, et 300 mm, l'épaisseur des canaux est comprise de préférence entre 0,7 mm et 2 mm.
Lorsque ces plaques présentent une hauteur comprise entre 300 mm et600 mm, l'épaisseur des canaux est de préférence comprise entre 1 mm et 2 mm.
La largeur des canaux est de préférence comprise entre 3 mm et 7 mm. Ces caractéristiques permettent d'obte-nir un accumulateur d'énergie volumique satisfaisante présen-tant une plus grande durée de vie que les accumulateurs de --l'art antérieur.
Selon un premier mode de réalisation, lesdits inter-calaires sont réalisés par des nervures présentées par l'un desdits séparateurs. Selon un mode de réalisation préférentiel, ledit premier séparateur, appliqué contre la plaque négative, comporte des premières nervures sur sa face tournée vers la plaque positive, et ledit second séparateur, appliqué contre la plaque positive, comporte des secondes nervures sur sa face tournée vers la plaque négative. Les premières et les secondes nervures sont parallèles entre elles; l'intervalle entre deux nervures d'un même séparateur est compris entre 5 mm et 20 mm. Les deux séparateurs sont de préférence iden-tiques et les nervures de l'un s'appuient sur l'autre dans l'intervalle séparant deux de ses nervures. L'épaisseur d'une nervure est comprise entre 0,5 mm et 3 mm.
Dans toutes ces variantes, les canaux orientés verti-calement (dans la position normale d'utilisation de l'accumula-teur), permettent une circulation de l'électrolyte et des gaz, et ainsiunfonctionnement homogène des matières actives suivant toute la surface des plaques. De préférence, on ad~oint à

l'accumulateur un dispositif de circulation forcée de l'élec-trolyte.

3~836 Par ailleurs il est préférable que les -faces du premier et du second séparateurs respectivement en contact avec les plaques positive et négative présentent des stries parallè-les entre elles, séparées par une distance comprise entre 0,8 mm et 1,4 mm et permettant une meilleure évacuation des gaz, notamment pendant la recherge~
La séparation peut être complétée par au moins une feuille de laine de verre interposée entre le second séparateur et la plaque positive. Les séparateurs microporeux ou les feuilles de laine de verre peuvent être prolongés de façon à
entourer les bords des plaques. `
Selon un mode de réalisation particulièrement avan- -tageux, la matière active des plaques positives est consolidée par un liant plastique du type PTFE, la proportion en poids de PTFE étant comprise entre 0,5% et 2,5%.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente - invention apparaitront au cours de la description suivante qui sera faite à l'aide du dessin annexé donné à titre illustratif, - mais nullement limitatif, et dans le~uel:
~ la figure 1 est une vue partielle très schématique en coupe d'une plaque positive, d'une plaque négative et des moyens de séparation selon l'invention qul y scnt associés, - les figures 2, 3, et 4 reprennent des courbes représentatives de la tenue en endurance des accumulateurs de l'art antérieur _ ,_ ,. .. .
et des accumulateurs selon l'invention~ ~-On voit sur la figure 1 une plaque négative 1 avec sa grille 2 et sa matière active 3, et une plaque positive 4 avec sa grille 5 et sa matiere active 6. Les plaques présen-tent une hauteur de 175 mm. Un séparateur en PVC microporeux 7, disposé contre la plaque négative 1, comporte des nervures 9 parallèles entre elles sur sa face tournée vers la plaque ~` ~13S~

positlve 4, une feuille de laine de verre 12 est appliquée contre la plaque positive 4 et un séparateur en PVC micropo-reux 8 est interposé entre le séparateur 7 et la feuille 12.
Le séparateur 8 comporte des nervures 10 parallèles entre elles et parallèles aux nervures 9 de fac~on à définir des canaux 11 (verticaux dans la position normale d'utilisation de l'accumu-lateur) pour permettre la circulation de l'électrolyte. Les séparateurs 7 et 8 sont de préférence identiques, la distance entre de-ux nervures 9 ou 10 est égale à 10 mm environ, l'é-10 ~ paisseur d'une nervure 9 ou 10 est de l'ordre de 0,7 mm, l'épaisseur totale d'un séparateur microporeux est de l'ordre de 1,5 mm, et celle des deux séparateurs 7 et 8 est de l'or--dre de 2,25 mm.
Les canaux définis par les séparateurs présentent donc une épaisseur de l'ordre de 0,7 mm et une largeur de l'or-dre de 4 mm.
Les faces 13 et 14 des séparateurs 7 et 8 présentent de fines stries parallèles entre elles, séparées par une dis-; tance de l'ordre du millimètre et pouvant être comprise entre 0,8 mm et 1,4 mm.
EXEMPLE I:
On réalise deux accumulateurs A et B de capacite nominale Cn en 5 heures égale a 54 Ah~et comportant chacun quatre plaques négatives 1 et trois plaques positives 4.
- ^ L'accumulateur A conforme ~ l'art antérieur est muni de moyens de séparation constitués par un séparateur 7 et une feuil1e de laine de verre 12.
L'accumulateur B conforme à l'invention est construit suivant le schéma de la figure 1`.
Ces deux accumulateurs ont subi des cycles de charge/
décharge définis de la façon suivante: la charge a été effec-tuée au régime Cn/4 pendant 2 heures, puis au régime Cn/10 -- 4 ~

, ~39~

pendant 3 heures; la décharge a été effectuée au régime Cn/4 jusqu'à une profondeur de décharge de 0,7 Cn.
Sur la figure 2, les courbes A et s relatives aux accumulateurs A et B représen-tent les variations de la capacité
C en ampèreheures en fonction du nombre de cycles N. La courbe B s'arrête à 1000 cycles, mais les essais se poursui-vent. On peut voir déjà le progrès apporté par la structure de la figure 1 du point de vue de la tenue en endurance de la batterie.
E~EMPLE II
On réalise quatre accumulateurs D, El, E2, E3 ré-pondant aux caractéristiques suivantes: -D et El diffèrent respectivement des accumulateurs A et B
par le fait que la matière active de leurs pla~ues positives 4 est consolidée à l'aide d'un liant de type PTFE, le rapport des poids de PTFE et de matière active étant de l'ordre de ~ 3 ~ 8 ~ 6 The present invention concerns an electric accumulator lead, used in particular in traction batteries. i Such an accumulator very schematically comprises a plurality of elements each made up of a negative plate, a plate positive and means of separation between them.
A fundamental technical problem is to realize a accumulator of great mass energy which is very enduring.
It ~ aut therefore especially succeed in improving the performance of ma-active, while avoiding swelling and "shedding"
positive material ~ corrosion must also be reduced grids keeping these active ingredients.
The means of separation of the accumulator ~ play a role very important in improving all of the above factors.
We have already proposed many types of separation means including carrying microporous separators.
The object of the present invention is to produce an accumulator lead tor including microporous separators in such a way that they bring a clear improvement in the point of view of endurance performance.
The present invention relates to an electric accumulator that lead containing a plurality of elements constituted cha-cun by a negative plate, a positive plate, each having a height between 100 mm and 600 mm, and means for separation between them, comprising a first and a second microporous separators, the thickness of which is around 1.5 mm and between which interstices define channels, characterized by the fact that the thickness of the channels is included between 0.5 mm and 2 mm, and that the width of the channels is included ent ~ e 2 mm and 10 mm.
When the positive and negative plates of the accumu-lator have a height of between 100 mm, , ', / - 1 -h, ~, and 300 mm, the thickness of the channels is preferably included between 0.7 mm and 2 mm.
When these plates have a height included between 300 mm and 600 mm, the thickness of the channels is preferably between 1 mm and 2 mm.
The width of the channels is preferably included between 3 mm and 7 mm. These characteristics make it possible to obtain provide a satisfactory volume energy accumulator both a longer lifespan than accumulators of -prior art.
According to a first embodiment, said inter-calaires are made by ribs presented by one said separators. According to a preferred embodiment, said first separator, applied against the negative plate, has first ribs on its face facing the positive plate, and said second separator, applied against the positive plate, has second ribs on its side facing the negative plate. The first and second ribs are parallel to each other; the interval between two ribs of the same separator is between 5 mm and 20 mm. The two separators are preferably identical.
ticks and the ribs of one lean on the other in the interval between two of its ribs. The thickness of a rib is between 0.5 mm and 3 mm.
In all these variants, the vertically oriented channels securely (in the normal accumulator use position) tor), allow circulation of the electrolyte and gases, and thus homogeneous functioning of the active ingredients according to the entire surface of the plates. Preferably, we ad ~ anointed with the accumulator a device for forced circulation of the elect trolyte.

3 ~ 836 In addition it is preferable that the -faces of the first and second separators respectively in contact with positive and negative plates have parallel streaks between them, separated by a distance between 0.8 mm and 1.4 mm and allowing better evacuation of gases, especially during research ~
Separation can be completed by at least one glass wool sheet interposed between the second separator and the positive plate. Microporous separators or glass wool sheets can be extended so that surround the edges of the plates. ``
According to a particularly advantageous embodiment -tageux, the active material of the positive plates is consolidated by a plastic binder of the PTFE type, the proportion by weight of PTFE being between 0.5% and 2.5%.
Other features and advantages of this - invention will appear during the following description which will be made using the attached drawing given by way of illustration, - but in no way limiting, and in the ~ uel:
~ Figure 1 is a very schematic partial sectional view a positive plate, a negative plate and means of separation according to the invention which is associated therewith, - Figures 2, 3, and 4 show representative curves of the endurance behavior of accumulators of the prior art _, _,. ...
and accumulators according to the invention ~ ~ -We see in Figure 1 a negative plate 1 with its grid 2 and its active material 3, and a positive plate 4 with its grid 5 and its active material 6. The plates present are 175 mm high. A microporous PVC separator 7, arranged against the negative plate 1, has ribs 9 parallel to each other on its side facing the plate ~ `~ 13S ~

positlve 4, a sheet of glass wool 12 is applied against positive plate 4 and a micropo- PVC separator reux 8 is interposed between the separator 7 and the sheet 12.
The separator 8 has ribs 10 parallel to each other and parallel to the ribs 9 so as to define channels 11 (vertical in the normal position of use of the accumu-lator) to allow circulation of the electrolyte. The separators 7 and 8 are preferably identical, the distance between two or 9 or 10 ribs is approximately 10 mm, the 10 ~ thickness of a rib 9 or 10 is of the order of 0.7 mm, the total thickness of a microporous separator is around 1.5 mm, and that of the two separators 7 and 8 is gold--2.25 mm dre.
The channels defined by the separators have therefore a thickness of the order of 0.7 mm and a width of the gold-dre of 4 mm.
The faces 13 and 14 of the separators 7 and 8 have fine streaks parallel to each other, separated by a dis-; tance of the order of a millimeter and may be between 0.8 mm and 1.4 mm.
EXAMPLE I:
We realize two accumulators A and B of capacity nominal Cn in 5 hours equal to 54 Ah ~ and each comprising four negative plates 1 and three positive plates 4.
- ^ Accumulator A in accordance with the prior art is provided separation means constituted by a separator 7 and a sheet of glass wool 12.
Accumulator B according to the invention is constructed following the diagram in figure 1`.
These two accumulators have undergone charge cycles /
discharge defined as follows: the charge has been carried out killed on the Cn / 4 diet for 2 hours, then on the Cn / 10 diet - 4 ~

, ~ 39 ~

during 3 hours; the discharge was carried out with the mode Cn / 4 up to a discharge depth of 0.7 Cn.
In FIG. 2, the curves A and s relating to the accumulators A and B represent variations in capacity C in ampere hours as a function of the number of cycles N. La curve B stops at 1000 cycles, but the tests continue wind. We can already see the progress made by the structure of Figure 1 from the point of view of endurance resistance of battery.
E ~ EMPLE II
Four accumulators D, El, E2, E3 are produced.

with the following characteristics: -D and El differ from accumulators A and B respectively by the fact that the active material of their positive pla ~ ues 4 is consolidated using a PTFE type binder, the report PTFE and active material weights being of the order of

2,5%.
Les courbes D et El de la ~igure 3 confirment l'ln-térêt des moyens de séparation de la figure 1 associé à celui du liant de consolidation de la matière active positive du point dé vue de l'endurance.
Les accumulateurs E2 et E3 présentent le même agen- -cement que l'accumulateur El mais ils en different par les dimensions des canaux définis par leurs séparateurs. Ainsi, pour E2 l'épaisseur d'un canal est 0,35 mm et sa largeur est 4 mm; pour E3 l'épaisseur d'un canal est 0,7 mm et sa largeur 11 mm. Les courbes E2 et E3 de la figure 2 montrent clairement la dégradation des performances de l'accumulateur lorsque les dimensions des canaux sortent des fourchettes prévues selon l'invention.

Pour les accumula-teurs dont les plaques ont des 1~39~3~

hauteurs supérieures à 300 mm, et inférieures à 600 mm, il faut mettre en oeuvre de préférence des canaux d'épaisseur supé-rieure à 1 mm afin d'obtènir de bons résultats.
EXEMPLE III
On réalise deux accumulateurs F et G analogues respectivement aux accumulateurs D et El mais dans lesquels est prévu un dispositif de circulation forcée d'électrolyte, avec un débit de quelques litres à l'heure. Les courbes F
et G de même type que les courbes des figures 2 et 3 illus- -trent l'amélioration de la tenue en endurance des accumula-teurs lorsque l'on conjugue tous les éléments de l'invention.
- Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux ex-emples qui viennent d'être décris. On pourra notamment rem-placer l'un des séparateurs par un séparateur plan, l'inter-valle entre deux nervures du second séparateur étant diminué
de moitié.
- Dans tous les cas, les deux séparateurs mi.croporeux appliqués respectivement contre les plaques positive et néya-tive s'opposent au gGnflement des matières actives les ca-~20 naux d'épaisseur supérieure ~ 0,5 mm qu'ils définissent .
assurent l'homogénéisation des concentrations d'électrolyte et leurs stries favorisent l'évacuation des gaz.

, - . 2.5%.
The curves D and El of the ~ igure 3 confirm the ln-interest of the separation means of FIG. 1 associated with that of the binding binder of the positive active ingredient of the point of view of endurance.
The E2 and E3 accumulators have the same arrangement -cement than the accumulator El but they differ by them dimensions of the channels defined by their separators. So, for E2 the thickness of a channel is 0.35 mm and its width is 4 mm; for E3 the thickness of a channel is 0.7 mm and its width 11 mm. The curves E2 and E3 in Figure 2 clearly show degraded battery performance when dimensions of the channels come out of the ranges provided according to the invention.

For accumulators whose plates have 1 ~ 39 ~ 3 ~

heights greater than 300 mm, and less than 600 mm, preferably use channels of greater thickness less than 1 mm in order to obtain good results.
EXAMPLE III
Two similar accumulators F and G are produced respectively to accumulators D and El but in which a device for forced electrolyte circulation is provided, with a flow rate of a few liters per hour. F curves and G of the same type as the curves of figures 2 and 3 illus- -trent improvement in the endurance performance of accumul-tor when combining all the elements of the invention.
- Of course, the invention is not limited to the ex-jobs which have just been described. In particular, place one of the separators with a plane separator, the inter-valley between two ribs of the second separator being reduced A half.
- In all cases, the two semi-porous separators applied respectively against the positive and neya- plates tive oppose the swelling of the active ingredients ~ 20 channels of greater thickness ~ 0.5 mm which they define.
ensure homogenization of electrolyte concentrations and their streaks favor the evacuation of gases.

, -.

Claims

The embodiments of the invention, about which an exclusive right of property or privilege is claimed, are defined as follows:

1. Electric lead-acid battery comprising a plurality of elements each consisting of a negative plate, a positive plate, each having a height between 100 mm and 600 mm, and separation means inserted between them, comprising a first and a second micro- separators porous, with a thickness of the order of 1.5 mm and between which tabs define channels, characterized by the fact that the thickness of the channels is between 0.5 mm and 2 mm, and that the width of the channels is between 2 mm and 10 mm.

2. Electric accumulator according to claim 1, characterized by the fact that the positive plate and the plate negative with a height between 100 mm and 300 mm, said thickness of the channels is between 0.7 mm and 2 mm.

3. An electric accumulator according to claim 1, characterized by the fact that the positive plate and the plate negative with a height between 300 mm and 600 mm, said thickness of the channels is between 1 mm and 2 mm.

4. Electric accumulator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that said width of said channels is between 3 mm and 7 mm.

5. Accumulator according to claim 1, characterized by the fact that the faces of said separators respectively in contact with the negative and positive plates show streaks parallel to each other and separated by a distance between 0.8 mm and 1.4 mm.

5. Accumulator according to claim 1, 2 or 3, characterized by the fact that said spacers are made by ribs presented by one of said separators.

7. Accumulator according to claim 1, characterized by the fact that said first separator applied against the negative plate has first ribs on its face facing the positive plate, and that said second separator applied against the positive plate has second ribs on its face facing the negative plate, said first and second ribs parallel to each other carrying out the said dividers.

8. Accumulator according to claim 7, characterized by the fact that said first and said second separators are identical.

9. Accumulator according to claim 7, characterized by the fact that the interval separating two of said ribs of the same separator is between 5 mm and 20 mm.

10. Accumulator according to claim 7, 8 or 9, characterized in that the thickness of one of said ribs is between 0.5 mm and 3.5 mm.

11. Accumulator according to claim 1, characterized by the fact that it includes a forced circulation device of electrolyte.

12. Accumulator according to claim 11, characterized by the fact that the electrolyte flow rate is of the order of a few liter per hour.

13. Accumulator according to claim 1, characterized by the fact that the active material of said positive plate is consolidated with a plastic binder.

14. Accumulator according to claim 13, characterized by the fact that the proportion by weight of said binder in said positive active material is between 0.5% and 2.5%.